殷勇華，卞新高，汪 赟，朱燈林

（河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，常州 213022）

0 引言

四足機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其具有多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動(dòng)器、多傳感器、多自由度的特點(diǎn)[1]。本實(shí)驗(yàn)室自行研制的JQRI00型四足步行機(jī)器人樣機(jī)，由機(jī)架、腿、關(guān)節(jié)以及足四部分組成，如圖1所示。電控柜、液壓系統(tǒng)、電機(jī)以及作業(yè)裝置等主要由機(jī)架負(fù)責(zé)承載；每條腿由三個(gè)自由度構(gòu)成，分為上臂（含足部）、下臂、胯部三個(gè)部分，上臂與下臂、胯部與上臂、機(jī)架與胯部之間分別通過(guò)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，以便各腿能夠?qū)崿F(xiàn)在一定范圍內(nèi)的自由運(yùn)動(dòng)；通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，每個(gè)液壓缸都可與另外兩個(gè)運(yùn)動(dòng)臂構(gòu)成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)以適應(yīng)重載運(yùn)行；每個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)由電磁比例換向閥和液壓缸內(nèi)同軸安裝的位移傳感器構(gòu)成閉環(huán)速度以及位移控制；腿與地面的接觸狀態(tài)識(shí)別則由足底安裝的接觸力傳感器完成[2]。

1 控制系統(tǒng)功能需求

四足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)行狀態(tài)以及故障的監(jiān)測(cè)和診斷等都需要運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)完成。具體包括：

圖1 JQRI00型四足步行機(jī)器人

1）運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集與處理功能

對(duì)四足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各傳感器輸出的模擬量信號(hào)進(jìn)行采樣以及必要的處理，及時(shí)反饋給關(guān)節(jié)伺服控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)主控制器上傳給監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)器人位姿動(dòng)態(tài)顯示。

2）運(yùn)動(dòng)控制功能

自動(dòng)行走時(shí)控制四足步行機(jī)器人按照操作人員發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令和預(yù)定的步態(tài)規(guī)劃路徑自動(dòng)運(yùn)行，在調(diào)試階段完成由監(jiān)控計(jì)算機(jī)人機(jī)界面發(fā)送的各自由度獨(dú)立動(dòng)作或部分連續(xù)動(dòng)作命令規(guī)定的運(yùn)動(dòng)要求。

3）系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)功能

有些諸如PI控制的比例系數(shù)與積分系數(shù)、液壓缸運(yùn)動(dòng)位移上下限、比例閥閥芯正反向運(yùn)動(dòng)死區(qū)等參數(shù)常量需要存儲(chǔ)在系統(tǒng)的FLASH中，以便機(jī)器人正常工作時(shí)，控制程序可以直接讀取FLASH中相關(guān)參數(shù)并加載到相應(yīng)的控制程序中。

4）監(jiān)控管理功能

將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如通訊狀態(tài)、故障信號(hào)、運(yùn)行狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)并進(jìn)行存儲(chǔ)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)需要根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的人機(jī)交互界面，并以數(shù)字和動(dòng)畫(huà)相結(jié)合的方式直觀地反映出四足機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)、故障信號(hào)等。通過(guò)該界面，能夠方便地瀏覽當(dāng)前以及歷史數(shù)據(jù)。

2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

目前的機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有集中式、分布式、分層遞階式三種形式[3,4]。分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成，每個(gè)子系統(tǒng)采用獨(dú)立的微控制器來(lái)控制，彼此間通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。分布式控制系統(tǒng)具有模塊化，可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)[5,6]。

JQRI00型四足機(jī)器人是一個(gè)具有一定的負(fù)載能力和能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境行走的機(jī)器人。其控制系統(tǒng)根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)為三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。整個(gè)控制系統(tǒng)采用多層分布式結(jié)構(gòu)，由監(jiān)控層、控制層、設(shè)備層三部分組成[7]。控制層中各控制器之間通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的FPGA通信模塊交換數(shù)據(jù)，其中主控制器將規(guī)劃好的行走路線、步態(tài)位姿等信息細(xì)分解到各子控制器，控制層通過(guò)基于UDP協(xié)議的無(wú)線通信與監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。設(shè)備層是控制系統(tǒng)的底層，負(fù)責(zé)執(zhí)行具體的動(dòng)作。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述硬件功能配置，軟件功能也相應(yīng)的分為三個(gè)模塊：

1）監(jiān)控模塊：對(duì)JQRI00型四足機(jī)器人行走過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2）主控制器模塊：對(duì)JQRI00型四足機(jī)器人進(jìn)行路徑、步態(tài)和位姿規(guī)劃，并把規(guī)劃好的足底坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成各個(gè)關(guān)節(jié)的控制量，同時(shí)將各子控制器采集的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)上傳給監(jiān)控機(jī)。

3）子控制器模塊：對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的比例閥進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采集運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)并實(shí)時(shí)傳遞給主控制器。包括四個(gè)子控制器，每個(gè)子控制器獨(dú)立控制一條腿。

三個(gè)功能模塊之間相對(duì)獨(dú)立，完成各自的任務(wù)并相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控模塊、主控制器和子控制器使用不同的CPU。目前常用的控制器有單片機(jī)、DSP、ARM、PC等。由于行走機(jī)器人控制系統(tǒng)要求精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、靈活性高。本系統(tǒng)中主控制器采用32位ARM9內(nèi)核的工控主板；子控制器采用德州儀器公司針對(duì)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用專門(mén)推出的C2000系列32位微控制器——TMS320F28027；而監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控，要求較好的人機(jī)交互性，這里選用自帶無(wú)線網(wǎng)卡的普通筆記本電腦實(shí)現(xiàn)。

2.1 主控制器功能結(jié)構(gòu)

主控制器是JQRI00型四足機(jī)器人控制系統(tǒng)中的核心部分。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，主控制器采用ARM9內(nèi)核的嵌入式模塊，在WINCE5.0操作系統(tǒng)下以VC++語(yǔ)言進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序設(shè)計(jì)，完成機(jī)器人整體姿態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與診斷。主控制器連接有并行ISA總線、以太網(wǎng)接口、RS232接口和帶光電隔離的輸入輸出模塊。各部分主要完成以下功能：

1）并行ISA總線與通信模塊的并行ISA 總線接口相連，實(shí)現(xiàn)主控制器對(duì)通信模塊內(nèi)各組雙端口RAM 的直接讀寫(xiě)[8]。

2）以太網(wǎng)接口連接無(wú)線路由器，與監(jiān)控機(jī)定時(shí)通信，發(fā)送所有計(jì)算、測(cè)量的數(shù)值給監(jiān)控機(jī)，并接收監(jiān)控機(jī)發(fā)送的控制命令。

3）RS232接口連接傾角傳感器，接收傾角傳感器發(fā)送的空間3個(gè)角度的值。

4）帶光電隔離的輸入輸出模塊連接油泵，負(fù)責(zé)控制油泵的啟動(dòng)以及停止并為將來(lái)的后續(xù)擴(kuò)展作預(yù)留。

5）FPGA通信模塊利用FPGA的可編程邏輯設(shè)計(jì)功能，在FPGA內(nèi)構(gòu)建有四組雙端口RAM模塊以存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制指令，通信模塊具有一個(gè)并行ISA總線接口以及四個(gè)高速串行SPI總線接口，SPI總線接口與子控制器相連接。

6）主控制器上還可以連接有USB接口，USB接口以及以太網(wǎng)接口模塊負(fù)責(zé)完成主控制器的在線配置以及調(diào)試。

主控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主控制器的結(jié)構(gòu)

2.2 子控制器功能結(jié)構(gòu)

子控制器的主要功能是接收主控制器命令數(shù)據(jù)，伺服驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)動(dòng)作。獲取機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中液壓缸位移量、運(yùn)動(dòng)方向、通信故障等信息并反饋至主控制器進(jìn)行處理分析[2]，如圖4所示。子控制器包含高速串行SPI總線、ADC模塊、模擬量采集模塊、PWM模塊、伺服驅(qū)動(dòng)模塊以及差分驅(qū)動(dòng)模塊。各部分主要完成以下功能：

1）高速串行SPI總線經(jīng)差分驅(qū)動(dòng)模塊與專用通信模塊中的SPI接口相連，以便實(shí)現(xiàn)子控制器對(duì)雙端口RAM模塊的實(shí)時(shí)讀寫(xiě)[9,10]。

2）模擬量采集模塊分別連接位移傳感器和力傳感器，模擬量采集模塊將位移傳感器及力傳感器反饋的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為合適的電壓信號(hào)后輸入ADC模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移及力信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換。實(shí)際中，位移傳感器與各液壓缸同軸安裝；多個(gè)力傳感器安裝在腿的各關(guān)節(jié)處以及足底。

3）ADC模塊連接模擬量采集模塊，模擬量采集模塊采集傳感器傳輸?shù)母鞣N模擬量，將其傳輸給ADC 模塊，ADC模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將采集的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸給子控制器，子控制器根據(jù)ADC模塊傳過(guò)來(lái)的信息，再結(jié)合從通信模塊傳過(guò)來(lái)的控制指令，計(jì)算得到控制器輸出量，控制器輸出量經(jīng)過(guò)PWM模塊，得到模擬控制量，再經(jīng)過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)液壓缸進(jìn)行動(dòng)作。

4）伺服驅(qū)動(dòng)模塊包括PWM轉(zhuǎn)DA電路與恒流斬波電路，通過(guò)控制PWM信號(hào)占空比的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)控制通過(guò)比例閥線圈電流的大小，進(jìn)而控制閥芯的運(yùn)動(dòng)方向與開(kāi)度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)方向與速度的控制。

5）由于主控制器與位于四條腿上的子控制器有一定距離，采用差分驅(qū)動(dòng)模塊可以有效提高信號(hào)的傳輸距離并抑制噪聲。

圖4 子控制器的結(jié)構(gòu)

2.3 FPGA通信

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field－Programmable Gate Array），簡(jiǎn)稱FPGA，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來(lái)的，是為了在克服定制電路缺點(diǎn)的同時(shí)解決原有可編程器件門(mén)電路數(shù)量有限的不足而研發(fā)出來(lái)的一種半定制電路[11]。FPGA集成有內(nèi)嵌乘法器、專用運(yùn)算電路以及可靈活配置的片內(nèi)RAM等資源，再加上其并行性、可靈活配置的位寬以及豐富的電平接口，都使其成為本課題中進(jìn)行通信模塊設(shè)計(jì)的最佳選擇[12]。

如圖5所示，通信模塊包括并行ISA總線接口以及四個(gè)串行SPI總線接口，每個(gè)串行SPI總線接口各連接有雙端口RAM模塊，串行SPI總線接口與雙端口RAM模塊的一端相連，雙端口RAM模塊的另一端與并行ISA總線接口相連。

雙端口RAM存儲(chǔ)相應(yīng)的狀態(tài)信息和控制指令，且狀態(tài)信息和控制指令數(shù)據(jù)在各組雙端口RAM中分區(qū)配置；其一端與并行ISA總線接口相連，另一端分別與對(duì)應(yīng)的高速串行SPI總線接口連接。并行ISA總線接口一端與主控制器的并行ISA總線相連，另一端與各組雙端口RAM模塊相連，以便實(shí)現(xiàn)主控制器對(duì)雙端口RAM模塊的實(shí)時(shí)讀寫(xiě)。串行SPI總線接口一端與雙端口RAM模塊連接另一端與子控制器SPI總線連接，以便實(shí)現(xiàn)子控制器對(duì)雙端口RAM模塊的實(shí)時(shí)讀寫(xiě)[13,14]。

圖5 通信模塊的結(jié)構(gòu)

圖6是通信模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。其包括：讀寄存器、寫(xiě)寄存器、發(fā)送寄存器、接收寄存器、脈沖計(jì)數(shù)器、地址寄存器、讀地址計(jì)數(shù)器、寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器和讀寫(xiě)控制模塊等。

脈沖計(jì)數(shù)器分別連接發(fā)送寄存器、接收寄存器和讀寫(xiě)控制模塊，讀寫(xiě)控制模塊分別連接讀地址計(jì)數(shù)器、地址寄存器、寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器和雙端口RAM模塊，地址寄存器連接雙端口RAM模塊，接收寄存器連接寫(xiě)寄存器，寫(xiě)寄存器連接雙端口RAM模塊，雙端口RAM模塊連接讀寄存器，讀寄存器連接發(fā)送寄存器。

通信模塊中各SPI模塊均工作于從機(jī)模式，子控制器中的SPI模塊工作于主機(jī)模式。當(dāng)SPI模塊檢測(cè)到主機(jī)選擇線（SS）下降沿的跳變信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)SPI通信，首先將讀、寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器，地址寄存器以及SCK 脈沖計(jì)數(shù)器初始化；然后將當(dāng)前讀地址計(jì)數(shù)器的值賦給雙端口RAM模塊的地址寄存器，同時(shí)讀寫(xiě)控制模塊產(chǎn)生讀信號(hào)以及使能信號(hào)，讀取雙端口RAM模塊中儲(chǔ)存的由精簡(jiǎn)ISA總線寫(xiě)入的命令數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)賦給讀寄存器并將其載入SPI發(fā)送寄存器；當(dāng)接收到第一個(gè)SCK脈沖時(shí)：在脈沖的上升沿將發(fā)送寄存器的最高位移出并送上主機(jī)輸入/從機(jī)輸出線（MISO），在脈沖的下降沿接收主機(jī)輸出/從機(jī)輸入線（MOSI）上的信號(hào)并移入接收寄存器的最低位；接收到第二個(gè)脈沖時(shí)，重復(fù)第一個(gè)脈沖的過(guò)程，直到完成八個(gè)脈沖的動(dòng)作后將脈沖計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)將接收寄存器的值賦給寫(xiě)寄存器，并將寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器的值賦給雙端口RAM模塊的地址寄存器，讀寫(xiě)控制模塊產(chǎn)生寫(xiě)信號(hào)以及使能信號(hào)，完成第一個(gè)接收數(shù)據(jù)的寫(xiě)入雙端口RAM模塊，最后，讀、寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器加1，至此，一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的完整通信就完成了，重復(fù)上述過(guò)程直到從機(jī)選擇線（SS）信號(hào)被拉高，表明此次SPI通信結(jié)束，等待檢測(cè)到下一個(gè)從機(jī)選擇線（SS）下降沿信號(hào)開(kāi)始下一次通信。通信模塊控制邏輯流程如圖7所示。

圖6 通信模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7 SPI模塊控制邏輯

3 結(jié)束語(yǔ)

在四足機(jī)器人原理樣機(jī)上進(jìn)行的大量模擬試驗(yàn)表明，基于FPGA的四足機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信能力、能夠進(jìn)行有效路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)精確控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。主控制器負(fù)責(zé)機(jī)器人整體姿態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與診斷；子控制器負(fù)責(zé)每條腿運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集和各自由度運(yùn)動(dòng)的速度、位置控制；通信模塊在FPGA內(nèi)構(gòu)建多組雙端口的RAM模塊存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制指令，主控制器通過(guò)并行ISA總線直接讀寫(xiě)所有各組雙端口RAM模塊，子控制器通過(guò)串行SPI總線直接讀寫(xiě)對(duì)應(yīng)一組雙端口RAM模塊，狀態(tài)信息和控制指令數(shù)據(jù)在各組雙端口RAM模塊中分區(qū)配置，可靠地實(shí)現(xiàn)主控制器與各子控制器間毫秒級(jí)的高速數(shù)據(jù)交換。

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